應用于螺旋槳的抗磨耐腐蝕復合涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應用于螺旋槳的抗磨耐腐蝕復合涂層及其制備方法。由采用多弧離子鍍工藝涂覆的CrSiN涂層和TiAlN涂層組成，其中TiAlN涂層位于CrSiN涂層的上方。選取Cr-Si以及TiAl合金作為多弧離子鍍靶材；待涂覆的螺旋槳作為陽極，Cr-Si合金為陰極，通入氮氣作為反應氣體，得到覆蓋CrSiN涂層的螺旋槳；以覆蓋CrSiN涂層的螺旋槳為陽極，TiAl合金為陰極，得到涂覆在螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層。本發(fā)明所研制的復合涂層，針對螺旋槳的特殊工作環(huán)境，能夠同時滿足螺旋槳對于耐腐耐磨兩種性能的要求，將CrSiN涂層和TiAlN涂層結合起來，起到協同保護作用。
【專利說明】應用于螺旋槳的抗磨耐腐蝕復合涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應用于螺旋槳的抗磨耐腐蝕復合涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002]船舶螺旋槳長期浸泡在海水中，海水中的鹽類、溶解氧，海洋生物和腐敗的有機物等，對螺旋槳均有腐蝕性。當螺旋槳運轉時，和流體交互作用會受到較大的循環(huán)交變應力，加之海水中有較多的氯離子存在，因而使螺旋槳產生應力腐蝕。另外，槳葉表面的局部在使用時會形成渦流，在低壓區(qū)不斷有汽泡形成和破滅，從而造成槳葉表面緊密相連的空穴，即引起了空泡腐蝕。根據研究發(fā)現，提高螺旋槳表面的硬度能夠有效的抵抗空泡腐蝕。當船舶在內河航行時，由于內河泥沙含量很大，會因磨損造成槳葉形狀的改變和葉面光潔度降低，使船的油耗增加，振動加劇，船速降低。
[0003]因此要求艦船螺旋槳的材料具有較高的耐海水腐蝕，高硬度以及良好的耐磨性能。目前廣泛使用錳銅合金制備船用螺旋槳。錳銅合金在鑄態(tài)下的機械性能良好，但是在海水環(huán)境中對應力腐蝕相當敏感，并有嚴重的脫成分傾向。并且在江河中運行的螺旋槳還會受到泥沙的沖擊磨損。這些因素導致了螺旋槳使用壽命變短。
[0004]我們可以通過在現有螺旋槳的表面制備高性能涂層來提高螺旋槳的整體性能。陶瓷材料本身具有高硬度、耐海水腐蝕性以及良好的耐磨性能，可以滿足螺旋槳的使用要求。然后目前單一的陶瓷涂層難以同時獲得滿意的耐腐蝕與耐磨損性能，因此需要研發(fā)一種復合涂層來滿足使用要求。

【發(fā)明內容】

[0005]為了克服現有技術的不足，提高螺旋槳的使用壽命，本發(fā)明在螺旋槳表面引入抗磨耐腐蝕復合涂層提高在復雜環(huán)境下使用的螺旋槳的使用壽命，適合于工業(yè)化推廣，另外還提供了在螺旋槳上應用該復合涂層的制備方法。
[0006]采用技術方案如下:
[0007]應用于螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層，由采用多弧離子鍍工藝涂覆的CrSiN涂層和TiAlN涂層組成，其中TiAlN涂層位于CrSiN涂層的上方。
[0008]按上述方案，CrSiN涂層厚度為1~5 μ m ；TiAlN涂層厚度為1~3 μ m。
[0009]上述應用于螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0010]選取Cr-Si以及TiAl合金作為多弧離子鍍靶材；
[0011]待涂覆的螺旋槳作為陽極，Cr-Si合金為陰極，通入氮氣作為反應氣體，采用的多弧離子鍍工藝參數為真空度1.5Pa~2.7Pa，加熱溫度300°C~400°C，靶弧電流設置80A~120A，負偏壓-150V~-200V，沉積時間IOmin~60min，得到覆蓋CrSiN涂層的螺旋槳；
[0012]以覆蓋CrSiN涂層的螺旋槳為陽極，TiAl合金為陰極，通入氮氣作為反應氣體，多弧離子鍍工藝參數為真空度1.5Pa~2.7Pa ;加熱溫度150°C~350°C，靶弧電流60A~100A ;負偏壓-200V~-400V ;沉積時間IOmin~60min，真空條件下爐冷到室溫取出，得到涂覆在螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層。
[0013]按上述方案，Cr-Si合金中Cr含量為40wt%~60wt% ；TiAl合金中Ti含量為60wt% ~80wt%。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015](I)本發(fā)明所采用的多弧離子鍍工藝比常規(guī)熱噴涂工藝所制備的涂層結合力更大，能夠使螺旋槳在運行時，涂層不易脫落。
[0016](2)本發(fā)明所研制的復合涂層，能夠同時滿足螺旋槳對于耐腐耐磨兩種性能的要求。其中，CrSiN涂層耐腐蝕性能優(yōu)異；TiAlN涂層具有高硬度，耐磨性能良好。針對螺旋槳的特殊工作環(huán)境，將CrSiN涂層和TiAlN涂層結合起來，起到了協同保護作用。
[0017](3)該雙層薄膜制備工藝簡便，易于控制，生產周期短，操作方便。可以延長螺旋槳的使用壽命，適合于工業(yè)化推廣。
【具體實施方式】
[0018]為了更好理解本發(fā)明下面結合具體的實施例進一步闡述本發(fā)明的內容，但本發(fā)明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
[0019]應用于螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層，由采用多弧離子鍍工藝涂覆的CrSiN涂層和TiAlN涂層組成，其中TiAlN涂層位于CrSiN涂層的上方。CrSiN涂層主要作用為防腐，TiAlN涂層主要作用為耐磨，同時兩者復合使用還有一定的協同促進作用，應用在螺旋槳的表面，在復雜水文環(huán) 境下可以大大提高螺旋槳的使用壽命。
[0020]經過試驗證明，本發(fā)明應用于螺旋槳表面，CrSiN涂層厚度最宜為I~5μπι ;TiAlN涂層厚度最宜為I~3 μ m。
[0021]在螺旋槳表面制備本發(fā)明的抗磨耐腐蝕復合涂層過程如下:
[0022]待涂覆的螺旋槳作為陽極，Cr-Si合金為陰極，通入氮氣作為反應氣體。采用的多弧離子鍍工藝參數為真空度1.5Pa~2.7Pa，加熱溫度300°C~400°C，靶弧電流設置80A~120A，負偏壓-150V~-200V，沉積時間IOmin~60min。得到覆蓋CrSiN涂層的螺旋槳；
[0023]更換TiAl合金為陰極，通入氮氣作為反應氣體，多弧離子鍍工藝參數為真空度
1.5Pa~2.7Pa ;加熱溫度150。。~350°C，靶弧電流60A~100A ;負偏壓-200V~-400V ；沉積時間IOmin~60min。真空條件下爐冷到室溫取出，得到應用在螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層。
[0024]多弧離子鍍制備應用于螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層過程中，所使用的Cr-Si合金靶材中Cr含量為40wt%~60wt% ；TiAl合金靶材中Ti含量為60wt%~80wt%，靶材中各組分的含量決定了涂層的組織及性能。
[0025]采用GB6458-86鹽霧試驗國家標準,對復合涂層試樣進行鹽霧腐蝕實驗。將實驗放入鹽霧試驗箱中，經過200~300小時鹽霧腐蝕實驗，試樣表面完整。
[0026]在M2000磨損試驗機上進行磨損實驗。塊狀上試樣為涂層試樣，環(huán)狀下試樣為GCrl5(6015HRC)。磨損時間20-60分鐘，結果表明實驗表面未出現剝落，采用掃描電鏡觀測到復合涂層未被磨穿。
[0027]實施例1
[0028]選取實驗用小型錳銅螺旋槳，對螺旋槳做預處理:將基片放置在堿洗液中，加熱到90°C清洗10分鐘，去除基片油跡。然后將基片在去離子水中清洗5分鐘，再放入丙酮中超聲清洗10分鐘；在無水乙醇超聲波清洗，放置在真空容器中保存?zhèn)溆谩?br> [0029]選取Cr-Si以及TiAl合金靶材作為多弧離子鍍靶材:靶材大小為直徑70-100mmX30-50mm 備用。Cr-Si 靶材中 Cr 含量為 50wt% ；TiAl 靶材中，Ti 含量為 70wt%。
[0030]將上述處理后的螺旋槳安裝在多弧離子鍍設備的基片臺作為陽極，將上述Cr-Si靶材裝入多弧離子鍍的弧頭中，作為陰極，通入氮氣作為反應氣體。多弧離子鍍工藝參數為:真空度2.66Pa ;加熱溫度380°C，靶弧電流80A ;負偏壓-150V ;沉積時間60min ;所得到的CrSiN涂層厚度為3 μ m。
[0031]更換為TiAl靶材，通入氮氣，調整多弧離子鍍工藝參數為:真空度2.0Pa ;加熱溫度200°C;靶弧電流60A ;負偏壓-200V ;沉積時間60min ;真空爐冷至室溫取出，得到應用于螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層，其中TiAlN涂層厚度為3 μ m，復合涂層厚度為6 μ m。
[0032]將制備完成后的試樣放置在鹽霧腐蝕箱中進行耐腐蝕性能測試，經過300小時的鹽霧試驗，試樣表面完整。之后將試樣放置在M2000型磨損試驗機上進行60分鐘磨損實驗，實驗表面未出現剝落，采用掃描電鏡觀測到復合涂層未被磨穿。
[0033]對比例I
[0034]重復實施例制備過程，制作厚度為6μ m的CrSiN涂層，但不制作TiAlN涂層。
[0035]試樣按照實施例1所述進行耐腐蝕實驗，試樣經過300小時鹽霧腐蝕實驗無明顯變化，但涂層表面出現少量點蝕。
[0036]試樣按照實施例1所述進行耐磨性實驗，由于CrSiN相對于TiAlN較軟，試樣經過30分鐘的磨損，涂層發(fā)生剝落。
[0037]對比例2
[0038]重復實施例制備過程，制作厚度為6μ m的TiAlN涂層，但不制作CrSiN涂層。
[0039]試樣按照實施例1所述進行耐腐蝕實驗，試樣經過100小時鹽霧腐蝕實驗，涂層表面出現點蝕。
[0040]試樣按照實施例1所述進行耐磨性實驗，試樣經過60分鐘的磨損，涂層表面未出現剝落，采用掃描電鏡觀測到復合涂層未被磨穿。
[0041]實施例2
[0042]重復實施例1的制備過程，但改變以下工藝參數:
[0043]Cr-Si靶材中Cr含量為40wt% ；TiAl靶材中，Ti含量為80wt%。
[0044]CrSiN涂層制備過程多弧離子鍍的參數為:真空度1.5Pa，加熱溫度為300°C，靶弧電流設置80A，負偏壓為-200V ;沉積時間為lOmin。制作厚度為I μ m。
[0045]TiAlN涂層制備過程多弧離子鍍的參數為:真空度控制在1.5Pa ;加熱溫度為150°C，靶弧電流設置為60A，負偏壓為-400V，沉積時間為lOmin。制作厚度為3 μ m。
[0046]按照實施例1所述進行耐腐蝕實驗，復合涂層經過160小時的鹽霧試驗，試樣表面未出現點蝕。
[0047]按照實施例1所述進行耐磨性實驗，試樣經過50分鐘的測試，表面未出現剝落。
[0048]實施例3
[0049]重復實施例1的制備過程，但改變以下工藝參數:
[0050]Cr-Si靶材中Cr含量為60wt% ；TiAl靶材中，Ti含量為60wt%。[0051]CrSiN涂層制備過程多弧離子鍍的參數為:真空度2.7Pa，加熱溫度為400°C，靶弧電流設置120A，負偏壓為-150V ;沉積時間為60min。制作厚度為5 μ m。
[0052]TiAlN涂層制備過程多弧離子鍍的參數為:真空度控制在2.7Pa;加熱溫度為350°C，靶弧電流設置為100A，負偏壓為-200V，沉積時間為60min。制作厚度為I μ m。
[0053]將制備完成后的試樣放置在鹽霧腐蝕箱中進行耐腐蝕性能測試，經過300小時的鹽霧試驗，試樣表面完整未出現點蝕。
[0054]將試樣放置在M2000型磨損試驗機上進行磨損實驗，經過50分鐘的測試，試樣表面未出現脫落。
【權利要求】
1.應用于螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層，其特征在于由采用多弧離子鍍工藝涂覆的CrSiN涂層和TiAlN涂層組成，其中TiAlN涂層位于CrSiN涂層的上方。
2.如權利要求1所述的應用于螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層，其特征在于所述的CrSiN涂層厚度為I~5 μ m ;所述的TiAlN涂層厚度為I~3 μ m。
3.權利要求1或2所述應用于螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 選取Cr-Si以及TiAl合金作為多弧離子鍍靶材； 待涂覆的螺旋槳作為陽極，Cr-Si合金為陰極，通入氮氣作為反應氣體，采用的多弧離子鍍工藝參數為真空度1.5Pa~2.7Pa，加熱溫度300°C~400°C，靶弧電流設置80A~120A，負偏壓-150V~-200V，沉積時間IOmin~60min，得到覆蓋CrSiN涂層的螺旋槳； 以覆蓋CrSiN涂層的螺旋槳為陽極，TiAl合金為陰極，通入氮氣作為反應氣體，多弧離子鍍工藝參數為真空度1.5Pa~2.7Pa ;加熱溫度150°C~350°C，靶弧電流60A~100A ;負偏壓-200V~-400V ;沉積時間IOmin~60min，真空條件下爐冷到室溫取出，得到涂覆在螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層。
4.如權利要求3所述的應用于螺旋槳表面的抗磨耐腐蝕復合涂層的制備方法，其特征在于Cr-Si合金中Cr含量為40wt%~60wt% ；TiAl合金中Ti含量為60wt%~80wt%。
【文檔編號】C23C14/06GK103789727SQ201410064091
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權日:2014年2月25日
【發(fā)明者】吳衛(wèi)國, 張樸 申請人:武漢理工大學